۱۰۰ هزار تومان هدیهٔ ثبت‌نام، تا ۱ میلیونبا ثبت‌نام گردونهٔ هدیه را بچرخان: دست‌کم ۱۰۰٬۰۰۰ تومان و تا ۱٬۰۰۰٬۰۰۰ تومان اعتبار هدیه، بدون کارت بانکیگردونهٔ هدیه۱ میلیون برای تو، ۱ میلیون برای دوستتدوستانت را دعوت کن: برای هر دوستی که فعال شود ۱٬۰۰۰٬۰۰۰ تومان اعتبار هدیه می‌گیری و خودش هم ۱٬۰۰۰٬۰۰۰ تومانجوایز
1xAi
زیست‌شناسی ۳ · فصل ۱

خلاصه درس فصل ۱ زیست دوازدهم؛ درسنامه و نکات مهم

«مولکول‌های اطلاعاتی»، فصل ۱ کتاب زیست‌شناسی ۳، صفحهٔ ۱ تا ۲۰، پایهٔ دوازدهم: ۵ درس، هر کدام با توضیح مفاهیم، مثال حل‌شده و نکات مهم.

این درسنامه را هوش مصنوعی 1xAi از روی صفحه‌های همان درس در کتاب درسی نوشته است (برچسب «تولید هوش مصنوعی»). کنار توضیح‌ها شمارهٔ صفحهٔ کتاب آمده تا با کتاب مقایسه کنی، و مثال حل‌شدهٔ هر درس یک بار دیگر جداگانه حل و بررسی شده؛ مثالی که درست درنیامده حذف شده است.

نمونه سوال این فصل با جواب

درس ۱ · صفحهٔ ۱ تا ۵ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

گفتار ۱: نوکلئیک اسیدها

در این درس یاد می‌گیری چگونه آزمایش‌ها نقش وراثتی دِنا را آشکار کردند و ساختار نوکلئوتیدها و رشته‌های دِنا و رِنا چه ویژگی‌هایی دارد.

پیش از شروع

چطور ممکن است مخلوطی از باکتری‌های مرده و باکتری‌های زندۀ غیربیماری‌زا، موش را بکشد؟ آیا مرده‌ها زنده شده‌اند؟

باکتری‌های مرده زنده نشده بودند؛ بعضی باکتری‌های زندۀ بدون پوشینه، توانایی پوشینه‌سازی پیدا کرده بودند. آزمایش‌های بعدی نشان دادند مادۀ منتقل‌کنندۀ این ویژگی، دِنا است.

گریفیت؛ انتقال یک ویژگی

برای شناخت مادۀ وراثتی، باید از مشاهده به نتیجه برسیم. گریفیت دو نوع باکتری را بررسی کرد: پوشینه‌دارِ زنده که موش را می‌کشت و بدون پوشینۀ زنده که موش را بیمار نمی‌کرد. باکتری پوشینه‌دارِ کشته‌شده با گرما هم به‌تنهایی موش را نمی‌کشت.

اتفاق مهم با مخلوط کردن باکتری‌های پوشینه‌دارِ کشته‌شده و بدون پوشینۀ زنده رخ داد: موش مُرد و در بدنش باکتری پوشینه‌دارِ زنده پیدا شد. پس بعضی باکتری‌های زندۀ بدون پوشینه تغییر کرده بودند؛ نه اینکه باکتری‌های مرده دوباره زنده شده باشند.

این آزمایش نشان داد چیزی از باکتری‌های کشته‌شده به باکتری‌های زنده منتقل شده است. اما هنوز نمی‌شد گفت آن چیز دِنا است؛ انتقال صفت ثابت شده بود، نه هویت مادۀ انتقال‌یافته.

کتاب درسی، صفحهٔ ۳

ایوری؛ شناسایی مادۀ وراثتی

ایوری و همکارانش پرسیدند: کدام مادۀ عصاره برای انتقال صفت لازم است؟ آنها پروتئین‌های عصارۀ باکتری‌های پوشینه‌دارِ کشته‌شده را تخریب کردند. با افزودن باقی‌ماندۀ عصاره به باکتری‌های بدون پوشینه، انتقال صفت باز هم رخ داد؛ پس پروتئین عامل انتقال نبود.

در جداسازی مواد عصاره نیز فقط لایۀ دارای دِنا توانست صفت را منتقل کند. شاهد مهم دیگر از آزمایش تخریب مواد به دست آمد: تخریب کربوهیدرات‌ها، پروتئین‌ها یا لیپیدها انتقال را متوقف نکرد، اما با تخریب دِنا انتقال انجام نشد.

منطق آزمایش شبیه یافتن قطعۀ ضروری یک وسیله است: اگر با حذف یک قطعه، کار متوقف شود، آن قطعه برای کار لازم بوده است. مجموع شواهد، دِنا را به‌عنوان مادۀ وراثتی معرفی کرد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۳

نوکلئوتید؛ واحد سازنده

حالا که مادۀ وراثتی را شناختیم، سراغ ساختمان آن برویم. دِنا و رِنا هر دو از گروه نوکلئیک‌اسیدها هستند. این مولکول‌ها بسپارند؛ یعنی از کنار هم قرار گرفتن واحدهای کوچک‌تر ساخته می‌شوند. نام هر واحد، نوکلئوتید است؛ مانند دانه‌هایی که یک زنجیر را می‌سازند.

هر نوکلئوتید سه بخش دارد: یک قند پنج‌کربنه، یک باز آلی نیتروژن‌دار و یک تا سه گروه فسفات. باز و گروه یا گروه‌های فسفات با پیوند اشتراکی به قند متصل می‌شوند؛ پس قند بخش مرکزی این واحد است.

دقت کن که «نوکلئوتید» با «باز آلی» یکی نیست. باز فقط یکی از اجزای نوکلئوتید است. همچنین یک نوکلئوتید را نباید با کل مولکول دِنا یا رِنا اشتباه گرفت.

کتاب درسی، صفحهٔ ۴

تفاوت‌های دِنا و رِنا

نوکلئوتیدها می‌توانند در نوع قند، نوع باز و تعداد گروه‌های فسفات تفاوت داشته باشند. قند دِنا دئوکسی‌ریبوز و قند رِنا ریبوز است. دئوکسی‌ریبوز نسبت به ریبوز یک اکسیژن کمتر دارد.

بازهای آلی دو دسته‌اند: پورین‌های دوحلقه‌ای شامل آدنین و گوانین، و پیریمیدین‌های تک‌حلقه‌ای شامل تیمین، سیتوزین و یوراسیل. بنابراین نام دسته به ساختمان باز مربوط است، نه به اینکه باز حتماً در دِنا باشد یا رِنا.

آدنین، گوانین و سیتوزین در هر دو نوع نوکلئیک‌اسید حضور دارند. تفاوت مهم این است که دِنا تیمین دارد و یوراسیل ندارد، اما رِنا یوراسیل دارد و تیمین ندارد. برای تشخیص، هم به قند توجه کن و هم به باز؛ وجود آدنین به‌تنهایی دِنا را از رِنا جدا نمی‌کند.

کتاب درسی، صفحهٔ ۴

از نوکلئوتید تا رشته

برای ساختن رشته، نوکلئوتیدها با پیوند اشتراکی فسفودی‌استر به هم وصل می‌شوند. در این اتصال، فسفات یک نوکلئوتید به گروه هیدروکسیل قند نوکلئوتید دیگر پیوند می‌خورد؛ نه اینکه بازهای آلی مستقیماً زنجیرۀ اصلی را بسازند.

در الگوی معرفی‌شدۀ کتاب، رِنا یک رشته و دِنا دو رشته دارد. انتهای یک رشته هم می‌تواند به ابتدای همان رشته متصل شود و ساختار حلقوی بسازد؛ مانند دِنای باکتری‌ها. در رشتۀ خطی، یک سر گروه فسفات آزاد و سر دیگر گروه هیدروکسیل آزاد دارد؛ پس دو سر آن یکسان نیستند.

چارگاف نیز نشان داد مقدار آدنین دِنا با تیمین و مقدار گوانین با سیتوزین برابر است. این یافته به معنی برابر بودن هر چهار باز نیست؛ دو برابری جداگانه داریم: A=TA=T و G=CG=C.

کتاب درسی، صفحهٔ ۵

مثال حل‌شده

دانش‌آموزی می‌گوید: «اگر دِنای عصارۀ باکتری‌های پوشینه‌دارِ کشته‌شده را کاملاً تخریب کنیم و عصاره را به باکتری‌های زندۀ بدون پوشینه بیفزاییم، باز هم باکتری‌های پوشینه‌دار پدید می‌آیند.» با فرض درست انجام شدن آزمایش و نبود آلودگی، آیا پیش‌بینی او با شواهد ایوری سازگار است؟

  1. ابتدا نقش دو بخش را جدا می‌کنیم: عصاره منبع مادۀ انتقال‌دهندۀ صفت است و باکتری زندۀ بدون پوشینه دریافت‌کنندۀ آن است.

  2. شواهد ایوری نشان می‌دهد مادۀ مؤثر در انتقال این صفت، دِنا است.

  3. با تخریب کامل دِنا، مادۀ لازم برای این انتقال از عصاره حذف می‌شود؛ باقی ماندن سایر مواد جای آن را نمی‌گیرد.

  4. پس انتظار نداریم باکتری‌های بدون پوشینه از راه این عصاره پوشینه‌دار شوند و پیش‌بینی دانش‌آموز را رد می‌کنیم.

جواب: خیر؛ نتیجه با انتظار آزمایش ایوری سازگار نیست، زیرا با تخریب کامل دِنا باید انتقال صفت متوقف شود، نه اینکه همچنان رخ دهد.

نکات مهم

  • گریفیت انتقال صفت را نشان داد و آزمایش‌های ایوری و همکارانش دِنا را به‌عنوان مادۀ وراثتی شناسایی کردند.
  • دِنا و رِنا از نوکلئوتیدهای دارای قند، باز آلی و فسفات ساخته می‌شوند و در نوع قند و برخی بازها تفاوت دارند.
  • پیوند فسفودی‌استر نوکلئوتیدهای یک رشته را متصل می‌کند و طبق یافته‌های چارگاف در دِنا آدنین با تیمین و گوانین با سیتوزین برابر است.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۲ · صفحهٔ ۵ تا ۷ · حدود ۱۴ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

تلاش برای کشف ساختار مولکولی دنا

در این درس یاد می‌گیری چگونه شواهد چارگاف و پرتو ایکس به ساخت مدل دنا کمک کردند و چگونه ساختار و جفت‌شدن بازها، ویژگی‌های این مولکول را توضیح می‌دهد.

پیش از شروع

اگر فقط ترتیب بازهای یکی از دو رشتهٔ دنا را داشته باشی، می‌توانی ترتیب رشتهٔ پنهان را پیدا کنی؟ چه قانونی چنین کاری را ممکن می‌کند؟

بله؛ بازهای دو رشته به‌دلخواه روبه‌روی هم قرار نمی‌گیرند و هر باز مکمل مشخصی دارد. همین قاعده هم به کشف ساختار دنا کمک کرد و هم باعث می‌شود از روی یک رشته، رشتهٔ مقابل را بشناسیم.

سرنخ نخست: مقدار بازها

پیش از کشف ساختار دنا، تصور می‌شد مقدار هر چهار نوع باز در آن برابر است؛ اما اندازه‌گیری‌های چارگاف این تصور را تغییر داد. او نشان داد مقدار آدنین با تیمین و مقدار گوانین با سیتوزین برابر است: A=T\mathrm{A=T} و G=C\mathrm{G=C}. دقت کن که این دو برابری به معنی برابر بودن هر چهار باز نیست؛ ممکن است مقدار آدنین از گوانین بیشتر باشد. مثل دو جفت جوراب با رنگ‌های متفاوت است: تعداد جوراب‌های راست و چپِ هر رنگ برابر است، اما تعداد جفت‌های دو رنگ لزوماً برابر نیست. این یافته سرنخی بود که مدل ساختار دنا باید دلیلش را توضیح می‌داد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۵

سرنخ دوم: تصویر پرتو ایکس

برای شناخت دنا، دانستن مقدار بازها کافی نبود؛ شکل فضایی مولکول هم باید روشن می‌شد. ویلکینز و فرانکلین با استفاده از پرتو ایکس تصاویری تهیه کردند. بررسی این تصاویر نشان داد دنا حالت مارپیچی دارد و از بیش از یک رشته ساخته شده است؛ ابعاد مولکول را هم می‌شد با این روش تشخیص داد. این تصاویر را مثل عکس معمولی یک نردبان در نظر نگیر؛ دانشمندان با بررسی الگوی تصویر به ویژگی‌های ساختار پی بردند. سپس واتسون و کریک، داده‌های پرتو ایکس، نتایج چارگاف و یافته‌های خودشان را کنار هم گذاشتند و مدل نردبان مارپیچ را ساختند.

کتاب درسی، صفحهٔ ۶

ستون‌ها، پله‌ها و پیوندها

حالا یک نردبان پیچ‌خورده را در ذهن بساز: دو رشتهٔ پلی‌نوکلئوتیدی به دور محوری فرضی پیچیده‌اند. در این تشبیه، ستون‌ها از قند و فسفات ساخته شده‌اند و بازهای آلی پله‌ها را می‌سازند. برای تشخیص پیوندها، اول بپرس «در امتداد یک رشته حرکت می‌کنم یا از یک رشته به رشتهٔ دیگر؟» در امتداد هر رشته، نوکلئوتیدهای مجاور با پیوند فسفودی‌استر به هم متصل‌اند. اما میان بازهای روبه‌روی هم در دو رشته، پیوند هیدروژنی برقرار است. پس پیوند سازندهٔ اتصال‌های یک ستون با پیوندی که دو رشته را روبه‌روی هم نگه می‌دارد، یکی نیست.

کتاب درسی، صفحهٔ ۷

مکمل بودن و پایداری دنا

هر باز فقط با مکمل مشخص خود جفت می‌شود: آدنین با تیمین و گوانین با سیتوزین. بنابراین توالی یک رشته، توالی رشتهٔ مقابل را تعیین می‌کند؛ مکمل بودن با یکسان بودن فرق دارد. در هر جفت، یک باز تک‌حلقه‌ای مقابل یک باز دوحلقه‌ای قرار می‌گیرد؛ به همین دلیل قطر دنا در طول آن یکسان می‌ماند. میان گوانین و سیتوزین نیز پیوند هیدروژنی بیشتری نسبت به آدنین و تیمین برقرار می‌شود. هر پیوند هیدروژنی به‌تنهایی انرژی کمی دارد، اما تعداد فراوان این پیوندها به پایداری دنا کمک می‌کند؛ مانند تعداد زیادی اتصال کوچک که در کنار هم محکم‌اند. در عین حال، دو رشته می‌توانند هنگام نیاز در بعضی نقاط از هم جدا شوند.

کتاب درسی، صفحهٔ ۷

مثال حل‌شده

در یک مولکول دنای دورشته‌ای، آدنین 30%30\% از کل بازها را تشکیل می‌دهد. درصد تیمین، گوانین و سیتوزین چقدر است؟

  1. طبق قاعدهٔ چارگاف، مقدار آدنین و تیمین برابر است؛ پس T=30%\mathrm{T}=30\%.

  2. سهم مجموع آدنین و تیمین را پیدا می‌کنیم: 30%+30%=60%30\%+30\%=60\%.

  3. باقی بازها گوانین و سیتوزین‌اند؛ بنابراین سهم مجموع آن‌ها 100%−60%=40%100\%-60\%=40\% است.

  4. چون مقدار گوانین و سیتوزین برابر است، سهم هرکدام 40%÷2=20%40\%\div2=20\% خواهد بود.

جواب: تیمین 30%30\%، گوانین 20%20\% و سیتوزین 20%20\% از بازهای این مولکول را تشکیل می‌دهند.

نکات مهم

  • چارگاف برابری مقدار بازهای مکمل را نشان داد و تصاویر پرتو ایکس، مارپیچی و چندرشته‌ای بودن دنا را آشکار کردند.
  • دنا دو رشته دارد؛ قند و فسفات ستون‌ها را می‌سازند و بازهای مکمل با پیوند هیدروژنی دو رشته را کنار هم نگه می‌دارند.
  • جفت‌شدن اختصاصی بازها، تعیین توالی رشتهٔ مکمل و یکسان ماندن قطر دنا را توضیح می‌دهد و فراوانی پیوندهای هیدروژنی به پایداری آن کمک می‌کند.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۳ · صفحهٔ ۷ تا ۹ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

نکات کلیدی مدل واتسون و کریک

در این درس یاد می‌گیری ساختار و مکمل بودن رشته‌های دنا را توضیح بدهی، نقش انواع رنا را تشخیص بدهی و ژن و نقش‌های سوخت‌وسازی نوکلئوتیدها را به هم ارتباط بدهی.

پیش از شروع

اگر فقط ترتیب بازهای یکی از دو رشتهٔ دنا را داشته باشی، آیا می‌توانی ترتیب بازهای رشتهٔ روبه‌روی آن را بدون دیدنش پیدا کنی؟

بله؛ بازهای دو رشته با قاعده‌ای مشخص روبه‌روی هم قرار می‌گیرند، نه به‌صورت تصادفی. همین قاعده باعث می‌شود دو رشته، با اینکه یکسان نیستند، اطلاعات لازم برای تعیین ترتیب یکدیگر را داشته باشند.

نردبان دنا و دو نوع پیوند

دنا را مانند یک نردبان پیچ‌خورده تصور کن. هر یک از دو رشتهٔ پلی‌نوکلئوتیدی، یکی از ستون‌های این نردبان را می‌سازد؛ قند و فسفات در ستون‌ها و بازهای آلی در پله‌ها قرار دارند. حالا دو نوع اتصال را از هم جدا کن: در طول هر رشته، میان قند نوکلئوتیدهای مجاور، پیوند فسفودی‌استر برقرار است؛ اما میان بازهای روبه‌روی هم، پیوند هیدروژنی وجود دارد. بنابراین وقتی از اتصال دو رشته به یکدیگر حرف می‌زنیم، منظور پیوندهای هیدروژنی است، نه فسفودی‌استر. در تصویر ذهنی نردبان، همیشه بپرس: دارم در امتداد یک ستون حرکت می‌کنم یا از یک ستون به ستون دیگر می‌روم؟

کتاب درسی، صفحهٔ ۷

مکمل بودن؛ نظم در پله‌ها

در پله‌های دنا، هر باز شریک مشخصی دارد: آدنین با تیمین و گوانین با سیتوزین جفت می‌شود؛ یعنی AA با TT و GG با CC. به همین دلیل، دو رشته مکمل یکدیگرند، نه لزوماً یکسان. در هر جفت، یک باز تک‌حلقه‌ای کنار یک باز دوحلقه‌ای قرار می‌گیرد؛ پس قطر دنا در سراسر مولکول یکسان می‌ماند. بین گوانین و سیتوزین، پیوند هیدروژنی بیشتری از آدنین و تیمین برقرار می‌شود. هر پیوند هیدروژنی به‌تنهایی انرژی کمی دارد، اما تعداد فراوان این پیوندها به پایداری دنا کمک می‌کند. در عین حال، جدا شدن موضعی دو رشته هنگام نیاز هم امکان‌پذیر است.

کتاب درسی، صفحهٔ ۷

رناها؛ پیام، حمل و ساختار

رنا نوع دیگری از نوکلئیک اسیدهاست؛ تک‌رشته‌ای است و از روی بخشی از یکی از رشته‌های دنا ساخته می‌شود. برای یادگیری سه نوع رنا، یک کارگاه را تصور کن: رنای پیک یا mRNA\mathrm{mRNA} پیام و اطلاعات دنا را به رناتن می‌رساند؛ رنای ناقل یا tRNA\mathrm{tRNA} آمینواسیدهای لازم را به سمت رناتن می‌برد؛ رنای رناتنی یا rRNA\mathrm{rRNA} همراه پروتئین‌ها در ساختمان خود رناتن شرکت دارد. پس پیام‌رسان، حمل‌کنندهٔ مواد و بخشی از دستگاه ساخت را با هم اشتباه نگیر. البته کار رناها به این سه مورد محدود نیست؛ بعضی رناها نقش آنزیمی دارند یا در تنظیم بیان ژن دخالت می‌کنند.

کتاب درسی، صفحهٔ ۸

ژن؛ بخشی معنادار از دنا

اطلاعات وراثتی دنا در واحدهایی به نام ژن سازمان یافته‌اند. ژن را بخشی از دنا بدان که بیان شدنش می‌تواند به تولید رنا یا پلی‌پپتید بینجامد. نکتهٔ مهم همین «یا» است: نباید ژن را فقط دستور ساخت پروتئین تعریف کنیم. در کارت قبلی دیدی که رناها خودشان هم نقش‌های گوناگونی دارند؛ بنابراین محصول بیان یک ژن می‌تواند رنایی باشد که وظیفه‌ای در یاخته انجام می‌دهد. برای تشخیص ژن، فقط به اندازهٔ یک قطعهٔ دنا یا نام آن تکیه نکن؛ معیار این تعریف، ارتباط آن بخش از دنا با تولید رنا یا پلی‌پپتید است.

کتاب درسی، صفحهٔ ۸

نوکلئوتیدها فراتر از وراثت

تا اینجا نوکلئوتیدها را واحدهای سازندهٔ دنا و رنا دیدیم؛ اما کارشان فقط ساختن این مولکول‌ها نیست. آدنوزین تری‌فسفات یا ATP\mathrm{ATP} یک نوکلئوتید آدنین‌دار و منبع رایج انرژی در یاخته است. یاخته برای فعالیت‌های گوناگون از آن استفاده می‌کند؛ پس دیدن واژهٔ «نوکلئوتید» نباید همیشه تو را فقط به یاد اطلاعات وراثتی بیندازد. نقش دیگر این است که نوکلئوتیدها در ساختمان مولکول‌های حامل الکترون شرکت می‌کنند. این حامل‌ها در فتوسنتز و تنفس یاخته‌ای نقش دارند. دقت کن: کتاب می‌گوید نوکلئوتیدها در ساختار این حامل‌ها وارد می‌شوند، نه اینکه هر نوکلئوتیدی به‌تنهایی حامل الکترون باشد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۸

مثال حل‌شده

ترتیب بازهای بخشی از یک رشتهٔ دنا ATGCATGC است. بازهای روبه‌روی آن‌ها چه ترتیبی دارند و چرا نمی‌توان همان ترتیب رشتهٔ اول را برای رشتهٔ مقابل نوشت؟

  1. قاعدهٔ مکمل بودن را به یاد بیاور: AA با TT و GG با CC جفت می‌شود.

  2. برای دو باز اول، روبه‌روی AA باز TT و روبه‌روی TT باز AA را قرار بده.

  3. برای دو باز بعدی، روبه‌روی GG باز CC و روبه‌روی CC باز GG را قرار بده.

  4. پس ترتیب بازهای روبه‌رو TACGTACG است؛ تکرار ترتیب رشتهٔ اول، قاعدهٔ جفت‌شدن مکمل را رعایت نمی‌کند.

جواب: بازهای رشتهٔ روبه‌رو، در برابر بازهای داده‌شده، به‌ترتیب TACGTACG هستند؛ دو رشته مکمل‌اند، نه یکسان.

نکات مهم

  • دنا دو رشتهٔ مکمل دارد که ستون‌هایشان از قند و فسفات ساخته شده و بازهای روبه‌روی آن‌ها با پیوند هیدروژنی جفت می‌شوند.
  • رناهای پیک، ناقل و رناتنی به‌ترتیب در رساندن اطلاعات، انتقال آمینواسید و ساختار رناتن نقش دارند و بیان ژن می‌تواند به تولید رنا یا پلی‌پپتید بینجامد.
  • نوکلئوتیدها علاوه بر ساختن دنا و رنا، در تأمین انرژی یاخته و ساختار مولکول‌های حامل الکترون نقش دارند.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۴ · صفحهٔ ۹ تا ۱۵ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

گفتار ۲: همانندسازی دِنا

در این درس یاد می‌گیری چگونه شواهد آزمایشی، همانندسازی نیمه‌حفاظتی را تأیید می‌کنند و آنزیم‌ها و جایگاه‌های آغاز، ساخت دقیق دنا را در پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌ها پیش می‌برند.

پیش از شروع

اگر دو رشتهٔ یک مولکول دنا را نشانه‌گذاری کنیم، پس از همانندسازی این دو رشته کنار هم می‌مانند یا از هم جدا می‌شوند؟ چطور می‌توان بدون دیدن مستقیم رشته‌ها پاسخ را پیدا کرد؟

هر رشتهٔ قدیمی در یکی از دو مولکول حاصل قرار می‌گیرد و کنار آن یک رشتهٔ جدید ساخته می‌شود. مزلسون و استال با نشانه‌گذاری دنا به کمک نیتروژن سنگین و بررسی چگالی دناهای حاصل، شواهد این الگو را به دست آوردند.

سه طرح، سه سرنوشت

پیش از تقسیم یاخته، اطلاعات دنا باید نسخه‌برداری شود تا به یاخته‌های حاصل برسد. برای توضیح این فرایند، سه طرح پیشنهاد شده بود. تفاوت آنها در سرنوشت رشته‌های قدیمی است.

در طرح حفاظتی، دو رشتهٔ قدیمی کنار هم باقی می‌مانند و یک مولکول کاملاً جدید هم ساخته می‌شود. در طرح نیمه‌حفاظتی، دو رشتهٔ قدیمی از هم جدا می‌شوند و هرکدام الگوی ساخت رشته‌ای مکمل قرار می‌گیرند؛ پس هر مولکول حاصل یک رشتهٔ قدیمی و یک رشتهٔ جدید دارد. در طرح پراکنده، هر رشتهٔ حاصل آمیزه‌ای از قطعات قدیمی و جدید است.

نکتهٔ کلیدی: «نیمه‌حفاظتی» یعنی حفظ یک رشتهٔ کامل از مولکول اولیه در هر مولکول حاصل، نه مخلوط‌شدن تکه‌های قدیمی و جدید در یک رشته.

کتاب درسی، صفحهٔ ۹

آزمایشی با دناهای سنگین

مزلسون و استال برای تشخیص دنای قدیمی از جدید، ابتدا باکتری‌ها را چندین نسل در محیط دارای نیتروژن سنگین، 15N^{15}\mathrm{N}، پرورش دادند. این نیتروژن وارد بازهای آلی دنا شد و دنای سنگین پدید آمد. سپس باکتری‌ها را به محیط دارای نیتروژن معمولی، 14N^{14}\mathrm{N}، منتقل کردند تا رشته‌های جدید سبک باشند.

دناهای استخراج‌شده در شیب چگالی سزیم کلرید گریز داده شدند؛ دنای سنگین پایین‌تر، دنای سبک بالاتر و دنای دورگه میان این دو قرار می‌گرفت.

پس از دور اول، فقط یک نوار متوسط دیده شد؛ بنابراین طرح حفاظتی رد شد، چون آن طرح دو نوار سنگین و سبک پیش‌بینی می‌کرد. پس از دور دوم، دو نوار متوسط و سبک با سهم برابر دیده شد. این نتیجه با نیمه‌حفاظتی سازگار بود، نه پراکنده؛ زیرا طرح پراکنده در دور دوم هم یک گروه دنای مخلوط، با چگالی کمتر از دور اول، پیش‌بینی می‌کرد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۰

باز کردن و ساختن

برای همانندسازی، سه چیز اصلی لازم است: دنای الگو، نوکلئوتیدهای آزاد سه‌فسفاته و آنزیم‌ها. در دنای همراه هیستون، ابتدا باید پیچ‌وتاب فامینه باز و هیستون‌ها جدا شوند تا دنا در دسترس قرار گیرد.

سپس هلیکاز با گسستن پیوندهای هیدروژنی، دو رشته را در محل همانندسازی از هم باز می‌کند؛ کل مولکول از ابتدا یک‌باره باز نمی‌شود. مرز بخش بازشده و بسته، شکلی مانند حرف YY دارد و «دوراهی همانندسازی» نامیده می‌شود. همانندسازی از جایگاه آغاز در دو جهت پیش می‌رود.

دنابسپاراز با استفاده از رابطهٔ مکملی، نوکلئوتید مناسب را به انتهای رشتهٔ جدید می‌افزاید و پیوند فسفودی‌استر ایجاد می‌کند. مثلاً روبه‌روی آدنین، تیمین قرار می‌گیرد. نوکلئوتید ورودی سه فسفات دارد، اما هنگام اتصال دو فسفاتش جدا می‌شود و به‌صورت تک‌فسفاته در رشته قرار می‌گیرد. پس بازشدن دو رشته را با ساخته‌شدن ستون یک رشته اشتباه نکن!

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۲

ساختن همراه با ویرایش

دنابسپاراز فقط سازنده نیست؛ کارِ رشتهٔ تازه‌ساخته‌شده را نیز بررسی می‌کند. رابطهٔ مکملی دقت همانندسازی را بالا می‌برد، اما باز هم ممکن است نوکلئوتید نامناسبی وارد رشته شود.

طبق توضیح کتاب، دنابسپاراز پس از تشکیل پیوند فسفودی‌استر، درستی جفت‌شدن نوکلئوتید را بررسی می‌کند. اگر اشتباهی رخ داده باشد، نوکلئوتید نادرست را جدا می‌کند و نوکلئوتید درست جای آن قرار می‌گیرد. این کار شبیه نوشتن یک متن و اصلاح فوری حرف اشتباه است؛ با این تفاوت که اینجا اصلاح با تغییر پیوندهای شیمیایی انجام می‌شود.

پس دو فعالیت را جدا به خاطر بسپار: بسپارازی یعنی تشکیل پیوند فسفودی‌استر برای ساخت رشته؛ نوکلئازی یعنی شکستن این پیوند. فعالیت نوکلئازی دنابسپاراز که برای رفع خطای همانندسازی انجام می‌شود، «ویرایش» نام دارد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۲

یک آغاز یا چند آغاز؟

در پروکاریوت‌ها، فام‌تن اصلی یک مولکول دنای حلقوی در سیتوپلاسم است که غشایی دور آن نیست و به غشای یاخته اتصال دارد. باکتری ممکن است دیسک یا پلازمید هم داشته باشد؛ دنایی جدا از دنای اصلی که می‌تواند ویژگی‌هایی مانند مقاومت به پادزیست ایجاد کند. اغلب پروکاریوت‌ها یک جایگاه آغاز دارند؛ همانندسازی از آن در دو جهت پیش می‌رود تا دو مسیر به هم برسند.

در یوکاریوت‌ها، دنای هر فام‌تن هسته‌ای خطی و همراه پروتئین‌هایی مانند هیستون است. دنای حلقویِ سیتوپلاسمی نیز در راکیزه و دیسه وجود دارد؛ بنابراین «همهٔ دنای یوکاریوت خطی است» درست نیست.

چون دنای فام‌تن‌های یوکاریوتی بسیار زیاد است، همانندسازی در هر فام‌تن از چندین نقطه آغاز می‌شود؛ مانند تقسیم یک کار طولانی میان چند گروه. تعداد این جایگاه‌ها تنظیم‌پذیر است: در مراحل جنینی مورولا و بلاستولا، تقسیم سریع‌تر و جایگاه‌های آغاز بیشترند؛ پس از تشکیل اندام‌ها هر دو کاهش می‌یابند. دو‌جهتی بودن در هر دو گروه وجود دارد؛ تفاوت مهم، تعداد جایگاه‌های آغاز است.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۳

مثال حل‌شده

در آزمایش مزلسون و استال، پس از انتقال باکتری‌های دارای دنای سنگین به محیط نیتروژن سبک، در پایان دور اول فقط دنای با چگالی متوسط دیده شد. با الگوی نیمه‌حفاظتی توضیح بده چرا در پایان دور دوم، نوارهای متوسط و سبک با سهم برابر دیده می‌شوند، اما نوار سنگین دیده نمی‌شود.

  1. در پایان دور اول، هر مولکول یک رشتهٔ قدیمی سنگین و یک رشتهٔ جدید سبک دارد؛ پس همهٔ مولکول‌ها دورگه و دارای چگالی متوسط‌اند.

  2. در دور دوم، دو رشتهٔ هر مولکول دورگه از هم جدا می‌شوند و هرکدام الگوی ساخت یک رشتهٔ جدید قرار می‌گیرند.

  3. چون محیط فقط نیتروژن سبک در اختیار می‌گذارد، کنار رشتهٔ سنگین یک رشتهٔ سبک ساخته می‌شود؛ حاصل، یک مولکول دورگه است.

  4. کنار رشتهٔ سبک هم یک رشتهٔ سبک ساخته می‌شود؛ حاصل، یک مولکول کاملاً سبک است. پس از هر مولکول دورگه، یک دورگه و یک سبک به دست می‌آید.

  5. هیچ دو رشتهٔ سنگینی کنار هم قرار نمی‌گیرند و رشتهٔ سنگین جدیدی هم ساخته نمی‌شود؛ بنابراین نوار سنگین نداریم.

جواب: هر مولکول دورگه در دور دوم یک مولکول دورگه و یک مولکول سبک می‌سازد؛ بنابراین نیمی از مولکول‌ها متوسط و نیمی سبک‌اند و دنای کاملاً سنگین تشکیل نمی‌شود.

نکات مهم

  • در همانندسازی نیمه‌حفاظتی، هر مولکول حاصل یک رشتهٔ قدیمی و یک رشتهٔ جدید دارد و نتایج دو دور آزمایش مزلسون و استال این الگو را تأیید کرد.
  • هلیکاز پیوندهای هیدروژنی را باز می‌کند و دنابسپاراز با ساخت پیوند فسفودی‌استر رشته را می‌سازد و با شکستن همین پیوند خطا را ویرایش می‌کند.
  • همانندسازی در هر دو گروه دو‌جهتی است، اما اغلب پروکاریوت‌ها یک جایگاه آغاز و هر فام‌تن یوکاریوتی چندین جایگاه آغاز دارد.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۵ · صفحهٔ ۱۵ تا ۲۰ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

گفتار ۳: پروتئین‌ها

در این درس یاد می‌گیری چگونه ساختار آمینواسیدها و شکل پروتئین‌ها با نقش آن‌ها ارتباط دارد و آنزیم‌ها چگونه و در چه شرایطی فعالیت می‌کنند.

پیش از شروع

چرا سرد کردن معمولاً فعالیت آنزیم را موقتاً کم می‌کند، اما گرمای زیاد ممکن است آن را برای همیشه از کار بیندازد؟

کار آنزیم به شکل فضایی آن وابسته است، نه فقط به مواد سازنده‌اش. کاهش فعالیت در سرما می‌تواند با گرم شدن جبران شود، اما گرمای زیاد ممکن است شکل آنزیم را به‌طور برگشت‌ناپذیر تغییر دهد.

از آمینواسید تا زنجیره

برای شناخت پروتئین، از واحد سازنده‌اش یعنی آمینواسید شروع کنیم. هر آمینواسید یک کربن مرکزی دارد که گروه آمین −NH2\mathrm{-NH_2}، گروه کربوکسیل −COOH\mathrm{-COOH}، یک هیدروژن و گروه R\mathrm{R} به آن متصل‌اند. بخش متفاوت آمینواسیدها، گروه R\mathrm{R} است؛ ویژگی شیمیایی این گروه بر شکل‌گیری پروتئین اثر می‌گذارد.

آمینواسیدها با حضور آنزیم و در واکنش سنتز آب‌دهی به هم متصل می‌شوند: با تشکیل هر پیوند پپتیدی، یک مولکول آب خارج می‌شود. پیوند پپتیدی نوعی پیوند اشتراکی است. اتصال چند آمینواسید، زنجیرهٔ پلی‌پپتیدی می‌سازد؛ پروتئین از یک یا چند زنجیرهٔ بلند و بدون شاخه تشکیل می‌شود.

در ساختار پروتئین‌ها بیست نوع آمینواسید به کار می‌رود. مانند حروفی که با ترتیب‌های مختلف واژه‌های متفاوت می‌سازند، نوع، تعداد و ترتیب آمینواسیدها هم بر ساختار و کار پروتئین اثر دارند.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۵

چهار سطح، از توالی تا آرایش

زنجیرهٔ آمینواسیدی فقط یک رشتهٔ ساده باقی نمی‌ماند؛ شکل می‌گیرد و همین شکل برای عملکردش مهم است. ساختار پروتئین را در چهار سطح بررسی می‌کنیم:

  • اول: نوع، تعداد، ترتیب و تکرار آمینواسیدها؛ پیوندهای پپتیدی این ساختار خطی را می‌سازند. همهٔ سطوح بعدی به آن وابسته‌اند.
  • دوم: پیوندهای هیدروژنی میان بخش‌هایی از زنجیره، الگوهایی مانند مارپیچ و صفحه ایجاد می‌کنند.
  • سوم: صفحات و مارپیچ‌ها بیشتر تا می‌خورند. نزدیک شدن گروه‌های R\mathrm{R} آب‌گریز به یکدیگر در تشکیل آن نقش دارد؛ پیوندهای هیدروژنی، اشتراکی و یونی نیز آن را تثبیت می‌کنند.
  • چهارم: دو یا چند زنجیرهٔ پلی‌پپتیدی در آرایشی مشخص کنار هم قرار می‌گیرند. پس همهٔ پروتئین‌ها ساختار چهارم ندارند.

میوگلوبین یک زنجیره و ساختار سوم دارد. هموگلوبین از دو زنجیرهٔ آلفا و دو زنجیرهٔ بتا تشکیل شده و ساختار چهارم دارد. هر زنجیره ابتدا خودش تا می‌خورد و سپس زیرواحدها کنار هم قرار می‌گیرند. تغییر حتی یک آمینواسید، ساختار اول را عوض می‌کند و ممکن است شکل و عملکرد پروتئین را هم تغییر دهد؛ این پیامد قطعی نیست.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۶

کارهای پروتئین‌ها و نقش آنزیم

پروتئین‌ها فقط مادهٔ سازندهٔ بدن نیستند؛ کارهای بسیار متنوعی دارند. کلاژن به بافت پیوندی استحکام می‌دهد، اکتین و میوزین در انقباض ماهیچه نقش دارند و هموگلوبین گازهای تنفسی را جابه‌جا می‌کند. گیرنده‌های سطح یاخته پیام یا عامل مشخصی را شناسایی می‌کنند. بیشتر هورمون‌ها، مانند انسولین و اکسیتوسین، پروتئینی‌اند؛ بعضی پروتئین‌ها نیز فعالیت ژن‌ها را تنظیم می‌کنند.

یکی از نقش‌های مهم، فعالیت آنزیمی است. برای شروع واکنش، انرژی اولیه‌ای به نام انرژی فعال‌سازی لازم است. آنزیم با افزایش امکان برخورد مناسب مولکول‌ها و کاهش انرژی فعال‌سازی، سرعت واکنشِ انجام‌شدنی را زیاد می‌کند؛ آنزیم را با تأمین‌کنندهٔ انرژی اشتباه نگیر.

محل کار آنزیم‌ها هم یکسان نیست: آمیلاز بزاق و لیپاز گوارشی بیرون یاخته عمل می‌کنند؛ آنزیم‌های تنفس یاخته‌ای، فتوسنتز و همانندسازی درون یاخته فعالیت دارند. پمپ سدیم ــ پتاسیم در غشا یون‌ها را جابه‌جا می‌کند و فعالیت آنزیمی هم دارد. بنابراین یک پروتئین می‌تواند بیش از یک نقش داشته باشد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۸

جایگاه فعال و اختصاصی بودن

بیشتر آنزیم‌ها پروتئینی‌اند؛ پس عبارت «همهٔ آنزیم‌ها پروتئین‌اند» دقیق نیست. آنزیم بخشی به نام جایگاه فعال دارد. ماده‌ای که آنزیم روی آن عمل می‌کند، پیش‌ماده است و حاصل واکنش، فراورده نام دارد.

شکل جایگاه فعال با شکل پیش‌ماده یا بخشی از آن مکمل است؛ برای همین هر آنزیم روی یک یا چند پیش‌مادهٔ خاص اثر می‌گذارد. این ویژگی را عملکرد اختصاصی می‌نامیم. البته اختصاصی بودن به معنای آن نیست که هر آنزیم حتماً فقط یک نوع واکنش را سرعت می‌بخشد.

بعضی آنزیم‌ها برای فعالیت به یون‌های فلزی یا مواد آلی کمک‌کننده نیاز دارند. کمک‌کنندهٔ آلی، مانند برخی ویتامین‌ها، کوآنزیم نامیده می‌شود؛ یون فلزی را کوآنزیم نمی‌نامیم. بعضی مواد سمی نیز با اشغال جایگاه فعال مانع فعالیت می‌شوند.

آنزیم در پایان واکنش دست‌نخورده می‌ماند و دوباره قابل استفاده است؛ به همین دلیل مقدار کمی از آن کافی است. البته آنزیم‌ها هم به مرور از بین می‌روند و یاخته باید نمونه‌های تازه بسازد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۹

شرایط فعالیت و کاربرد صنعتی

فعالیت آنزیم به شرایط محیط و مقدار مواد بستگی دارد:

  • اسیدی یا بازی بودن: هر آنزیم pH\mathrm{pH} بهینه دارد؛ برای پپسین حدود 22 و برای آنزیم‌های واردشده از لوزالمعده به روده حدود 88 است. تغییر pH\mathrm{pH} می‌تواند پیوندها و شکل آنزیم را تغییر دهد و اتصال پیش‌ماده را مختل کند.
  • دما: آنزیم‌های بدن انسان در حدود 37 ∘C37\,^{\circ}\mathrm{C} بهترین فعالیت را دارند. گرمای زیاد ممکن است شکل آن‌ها را برگشت‌ناپذیر تغییر دهد؛ غیرفعال شدن در سرما می‌تواند با بازگشت دمای طبیعی برطرف شود. دمای بهینهٔ همهٔ جانداران یکسان نیست.
  • غلظت: با فراهم بودن پیش‌ماده، افزایش آنزیم تولید فراورده در واحد زمان را بیشتر می‌کند. افزایش پیش‌ماده هم فقط تا زمانی سرعت را بالا می‌برد که جایگاه‌های فعال اشغال نشده باشند؛ پس از اشغال همهٔ آن‌ها، سرعت ثابت می‌شود.

از همین توانایی‌های اختصاصی در صنعت استفاده می‌کنیم: سلولاز در تجزیهٔ سلولز به گلوکز نقش دارد و در کاغذسازی و تولید سوخت زیستی به کار می‌رود. آنزیم‌های مایه‌پنیر پروتئین شیر را دلمه می‌کنند و می‌توانند منشأ جانوری، گیاهی یا ریزجانداری داشته باشند. در شوینده‌ها، لیپاز برای چربی، پروتئاز برای پروتئین و آمیلاز برای نشاسته کاربرد دارد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۲۰

مثال حل‌شده

برای پاک کردن لکهٔ چربی از لباس، میان شویندهٔ دارای لیپاز و شویندهٔ دارای آمیلاز کدام را انتخاب می‌کنی؟ آیا استفاده از آب هرچه داغ‌تر، حتماً نتیجه را بهتر می‌کند؟

  1. ابتدا جنس مادهٔ لکه را مشخص می‌کنیم: لکه از چربی است، نه نشاسته.

  2. عملکرد اختصاصی را به یاد می‌آوریم: لیپاز روی چربی اثر دارد، درحالی‌که آمیلاز برای نشاسته مناسب است.

  3. پس شویندهٔ دارای لیپاز را انتخاب می‌کنیم؛ صرف داشتن هر نوع آنزیم برای هر لکه کافی نیست.

  4. اثر دما را بررسی می‌کنیم: گرمای بیش از حد ممکن است شکل آنزیم و جایگاه فعالش را تغییر دهد؛ بنابراین آب هرچه داغ‌تر، لزوماً بهتر نیست.

جواب: برای لکهٔ چربی، لیپاز مناسب است؛ گرم‌تر کردنِ بیش از حد نیز ممکن است با تغییر شکل آنزیم، قدرت پاک‌کنندگی را کاهش دهد.

نکات مهم

  • پروتئین‌ها از آمینواسیدهای متصل با پیوند پپتیدی ساخته می‌شوند و توالی آن‌ها مبنای سطوح بالاتر ساختار است.
  • شکل فضایی پروتئین با عملکرد آن ارتباط دارد و آنزیم با جایگاه فعال اختصاصی، انرژی فعال‌سازی را کاهش می‌دهد.
  • دما، اسیدی یا بازی بودن محیط و غلظت آنزیم و پیش‌ماده بر فعالیت آنزیم اثر دارند و شناخت این ویژگی‌ها در صنعت کاربرد دارد.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

حالا خودت را بسنج: نمونه سوال این فصل با جواب (فصل ۱ زیست دوازدهم)

درس‌های فصل ۱ را تعاملی بخوان

در پنل یادگیری 1xAi هر کدام از این درس‌ها قدم به قدم پیش می‌رود: بعد از هر بخش یک سوال کوتاه، بعد مثال حل‌شده و در پایان برگهٔ خروج. جوابت ثبت می‌شود و سوال‌های هر درس در روزهای بعد برای مرور برمی‌گردند. درس‌های تعاملی رایگان‌اند؛ فقط تصحیح پاسخ کوتاه سهمیهٔ روزانهٔ رایگان دارد.

ساختن حساب رایگان است و بعد از ثبت‌نام مستقیم به همین بخش از پنل برمی‌گردی.

فصل ۱ زیست دوازدهم · رایگان